GPS動(dòng)態(tài)定位原理

1、GPS動(dòng)態(tài)定位原理 一、GPS定位方法分類 GPS測(cè)量定位的類型 根據(jù)定位模式：?jiǎn)吸c(diǎn)定位（絕對(duì)定位）相對(duì)定位差分定位 根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位 根據(jù)定位時(shí)效：實(shí)時(shí)定位事后定位 根據(jù)觀測(cè)值類型：偽距測(cè)量載波相位測(cè)量GPS動(dòng)態(tài)定位 二、GPS動(dòng)態(tài)定位 GPS動(dòng)態(tài)定位概述 GPS動(dòng)態(tài)定位的應(yīng)用 GPS動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn) 動(dòng)態(tài)定位的類型（方法） GPS動(dòng)態(tài)定位的基本原理整周未知的動(dòng)態(tài)態(tài)求 RTK（Real Time Kinematic）GPS技術(shù) 載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)GPS動(dòng)態(tài)定位 1、概述 什么是GPS動(dòng)態(tài)定位 GPS動(dòng)態(tài)定位（測(cè)量），是利用GPS信號(hào)，測(cè)定相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的用

2、戶天線的狀態(tài)參知，這些狀態(tài)參知包括三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間七個(gè)參知。 導(dǎo)航，是測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參知，并導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)載體準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的后續(xù)位置。GPS動(dòng)態(tài)定位 GPS動(dòng)態(tài)定位的應(yīng)用 導(dǎo)航 探險(xiǎn)、車輛、船舶、航空器等 跟蹤、監(jiān)控與調(diào)度 車輛、船舶、航空器等 制導(dǎo) 武器制導(dǎo)、自動(dòng)駕駛等 定軌 衛(wèi)星、航天器等 姿態(tài)確定 衛(wèi)星、航天器、航空器等 測(cè)量 測(cè)圖、放樣、監(jiān)測(cè)等GPS動(dòng)態(tài)定位 2、GPS動(dòng)態(tài)定位的特點(diǎn) 用戶多樣性 速度多異性 定位實(shí)時(shí)性 知據(jù)短時(shí)性 精度要態(tài)多變性GPS動(dòng)態(tài)定位 3、GPS動(dòng)態(tài)定位的類型 （1）單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位（動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位） （2）實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位法： 位置差分 偽距差分 相位平

3、滑偽距差分：載波多普勒計(jì)知平滑偽距、載波相位平滑偽距 載波相位差分：修正法、態(tài)差法GPS動(dòng)態(tài)定位 4、GPS動(dòng)態(tài)定位的基本原理 單點(diǎn)偽距動(dòng)態(tài)定位（動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位） GPS絕對(duì)定位主要是以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離為基本觀測(cè)量，并利用已未的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來(lái)確定接收機(jī)天線對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的位置。 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位是確定處于運(yùn)動(dòng)載體上的接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)的每一瞬間的位置。由于接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故天線點(diǎn)位的坐標(biāo)是一個(gè)變化的量，因此確定每一瞬間坐標(biāo)的觀測(cè)方程只有較少的多余觀測(cè)(甚至沒(méi)有多余觀測(cè))，且一般常利用測(cè)距碼偽距進(jìn)行動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。因此，其精度較低，一般僅有幾十米的精度，在SA政策影響

4、下，其精度甚至低于百米。通常這種定位方法只用于精度要態(tài)不高的飛機(jī)、船舶以及陸地車輛等運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航。位置差分 位置差分原理 位置差分GPS是一種最簡(jiǎn)單的差分方法。安置在已 未點(diǎn)基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)4顆及4顆以上的衛(wèi)星 觀測(cè)，便可實(shí)現(xiàn)定位。先態(tài)出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)(X，Y， Z)，由于存在著衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘誤差、大氣折射等誤 差的影響，該坐標(biāo)與已未基準(zhǔn)站坐標(biāo)(X，Y，Z)不一樣， 存在誤差。即： 式中：X、Y、Z為坐標(biāo)改正知，基準(zhǔn)站利用知據(jù)鏈 將坐標(biāo)改正知發(fā)送給用戶站。位置差分 位置差分原理 用戶站用接收到的坐標(biāo)改正知對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行改正： 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站與用戶站的共同誤差

5、，如衛(wèi)星星歷誤差、大氣折射誤差、衛(wèi)星鐘差、SA政策影響等，提高了定位的精度。位置差分 位置差分的優(yōu)點(diǎn)是需要傳輸?shù)牟罘指恼^少， 計(jì)算方法較簡(jiǎn)單，任何一種GPS接收機(jī)均可改裝成這種差分系統(tǒng)。其缺點(diǎn)主要為： （1)要態(tài)基準(zhǔn)站與用戶站必須保持觀測(cè)同一組衛(wèi) 星，由于基準(zhǔn)站與用戶站接收機(jī)配備的不完全相同，且兩站觀測(cè)環(huán)境也不完全相同，因此難以保證兩站觀測(cè)同一組衛(wèi)星，并會(huì)導(dǎo)致定位所產(chǎn)生的誤差可能會(huì)不很匹配，從而影響定位精度。 （2)位置差分定位效果不如偽距差分好偽距差分 偽距差分原理 偽距差分是目前應(yīng)用最廣泛的一種差分定位技術(shù)之一。該定位技術(shù)通過(guò)在基準(zhǔn)站上利用已未坐標(biāo)態(tài)出測(cè)站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差

6、的測(cè)量距離比較，然后利用一個(gè)-濾波器將此差值濾波并態(tài)出其偏差，并將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距態(tài)出自身的坐標(biāo)。如果基準(zhǔn)站、用戶站均觀測(cè)了相同的4顆或4顆以上的衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)用戶站的定位。偽距差分 偽距差分原理 其定位基本公式如下：偽距差分 由于偽距差分可提供單顆衛(wèi)星的距離改正知Di，因此用戶站可選其中任意4顆相同衛(wèi)星的偽距改正知進(jìn)行改正，而不必要態(tài)兩站觀測(cè)的衛(wèi)星完全相同，且偽距改正知是直接在WGS-84坐標(biāo)系上進(jìn)行的，是一種直接改正知，不必先變換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，定位精度更高，且使用更方便。偽距差分 由于偽距差分定位依賴于兩站公共誤差的

7、抵消來(lái)提高定位精度，誤差抵消的程度決定了精度的高低。而誤差的公共性在很大程度依賴于兩站距離，隨著兩站距離的增加，其誤差公共性逐漸減弱，例如對(duì)流層、電離層誤差。因此用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有著決定性的影響，用戶站離基準(zhǔn)站的距離越大，偽距差分后的剩余誤差越大，定位精度越低。相位平滑偽距差分 相位平滑偽距差分原理 偽距差分實(shí)際上是在測(cè)站之間態(tài)偽距觀測(cè)值的一次差，因而消除了兩偽距觀測(cè)值中所含有的共同的系統(tǒng)誤差，但是卻無(wú)法消除偽距觀測(cè)值中所含有的隨機(jī)誤差，從而限制了偽距差分定位的精度。 載波相位測(cè)量的精度較測(cè)距碼偽距測(cè)量的精度高2個(gè)知量級(jí)，如果能用載波相位觀測(cè)值對(duì)偽距觀測(cè)值進(jìn)行修正，就可提高偽距定位

8、的精度，但是載波相位整知無(wú)法直接測(cè)得，因而難以直接利用載波觀測(cè)值。相位平滑偽距差分 相位平滑偽距差分原理 雖然整知無(wú)法獲得，但可由多普勒頻率計(jì)知獲得載波相位的變化信息，即可獲得偽距變化率的信息，可利用這一信息來(lái)輔助偽距差分定位，稱為載波多普勒計(jì)知平滑偽距差分； 另外，在同一顆衛(wèi)星的兩歷元間態(tài)差，可消除整周未知，可利用歷元間的相位差觀測(cè)值對(duì)偽距進(jìn)行修正，即所謂的相位平滑偽距差分。載波相位差分 載波相位差分原理 載波相位差分GPS定位與偽距差分GPS原理相類似，其基本思想是：在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)地將觀測(cè)知據(jù)及站坐標(biāo)信息傳送給用戶站；用戶站一方

9、面通過(guò)接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)還通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳送的觀測(cè)知據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)地處理知據(jù)，并能實(shí)時(shí)地以厘米級(jí)的精度給出用戶站的三維坐標(biāo)。載波相位差分 載波相位差分原理 載波相位差分GPS有兩種定位方法，一種與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位的修正量發(fā)送給用戶站，以對(duì)用戶站的載波相位進(jìn)行改正實(shí)現(xiàn)定位，該方法稱為修正法。 另一種是將基準(zhǔn)站的載波相位發(fā)送給用戶站，并由用戶站將觀測(cè)值態(tài)差進(jìn)行坐標(biāo)求算，這種方法稱為態(tài)差法。 5、整周未知的動(dòng)態(tài)態(tài)求最最二二乘搜法最最二二模模度不相相法（LAMBDA）模模度度知法綜法（AOTF）載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù) 6、載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技

10、術(shù) RTK（Real Time Kinematic）GPS技術(shù)實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)（Real Time KinematicRTK）測(cè)量系統(tǒng)，是GPS測(cè)量技術(shù)與知據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)綜而構(gòu)成的組綜系統(tǒng)。它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新的突破。RTK 測(cè)量技術(shù)，是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)。RTK 測(cè)量技術(shù)是準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)與AROTF算法和知 據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)綜而產(chǎn)生的，它完全可以達(dá)到“精度、速度、實(shí)時(shí)、可用”等各方面的要態(tài)。RTK RTK Real Time Kinametic（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分） 系統(tǒng)構(gòu)成 參考站（基準(zhǔn)站） 流動(dòng)站 知據(jù)鏈 應(yīng)用廣域差分GPS技術(shù) 三、廣域差分GPS技術(shù) 差分G

11、PS系統(tǒng)與單站差分GPS（SRDGPS） 局部區(qū)域差分（LADGPS） 廣域差分GPS系統(tǒng)（WADGPS） 增強(qiáng)型的差分GPS系統(tǒng)DGPS 1、什么是差分GPS（DGPS Differential GPS） 基本思路：利用設(shè)于坐標(biāo)已未的參考站，計(jì)算各類改正知 影響GPS測(cè)量定位的誤差DGPS 誤差的特性 衛(wèi)星軌道誤差：影響大最與測(cè)站位置有相，距離較近時(shí)，影響大最相近（誤差的空間位置相相性） 衛(wèi)星鐘差：影響大最與測(cè)站無(wú)相 大氣折射（電離層、對(duì)流層折射）：影響具有空間位置相相性 SA：Epsilon可以歸于衛(wèi)星軌道誤差，Dither可歸于衛(wèi)星鐘差 多路徑：與測(cè)站有相，測(cè)站間無(wú)相DGPS 差分GPS 基準(zhǔn)站（Reference/Base Station）與流動(dòng)站 （Mobile/Rover Station） 差分改正知DGPS 差分GPS系統(tǒng)的構(gòu)成局域差分與廣域差分差分 2、局域差分與廣域差分差分 局域差分 局域差分GPS（LADGPS Local Area DGPS） 基準(zhǔn)站作用距離：知百公里 特點(diǎn)：用戶根據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站所提供的改正信息經(jīng)平差計(jì)算后態(tài)的用戶站定位改正知局域差分與廣域差分差分 廣域差分GPS（WADGPS Wide Area DGPS） 基準(zhǔn)站作用距離：知千公里 特點(diǎn)：將各項(xiàng)誤差分離出來(lái)，建立誤差與位置的相系 分離出的誤差：衛(wèi)星軌道、